Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tần băng x

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN MINH NGỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP
ÂM THẤP TÍN HIỆU SIÊU CAO TẦN BĂNG X

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN MINH NGỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP
ÂM THẤP TÍN HIỆU SIÊU CAO TẦN BĂNG X
Ngành: Công nghệ điện tử viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG

Hà Nội – 2015

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:
Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực
hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bạch
Gia Dương.
Các số liệu, kết luận của luận văn là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu những mô
hình, kết quả đã đạt được của các nước trên thế giới và trải nghiệm của bản thân, chưa
từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước khi trình bày bảo vệ trước “Hội
đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật”.
Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết.

Hà nội, Ngày tháng năm 2015

Người cam đoan

Trần Minh Ngọc


4

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, cho phép em được gởi lời cảm ơn sâu sắc đến
Thầy PGS.TS Bạch Gia Dương. Thầy là người luôn theo sát em
trong quá trình làm luận văn, Thầy đã tận tình chỉ bảo, đưa ra
những vấn đề cốt lõi giúp em củng cố lại kiến thức và có định
hướng đúng đắn để hoàn thành luận văn này.

Tiếp đến, em xin được gởi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy
Cô đã và đang giảng dạy tại trường Đại học Công nghệ - Đại học
Quốc gia Hà Nội đã giúp em có được những kiến thức cơ bản để
thực hiện luận văn này. Kính chúc Thầy Cô dồi dào sức khoẻ,
thành đạt, và ngày càng thành công hơn trong sự nghiệp trồng
người của mình.
Cuối cùng, em cũng xin cảm ơn gia đình, các anh chị, bạn
bè đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ em trong thời gian thực
hiện luận văn tốt nghiệp.

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội

Trần Minh Ngọc


5

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.........................................................................................................
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................
LỜI MỞ ĐẦU ...........................................................................................................
1. Lý do chọn đề tài ..............................................................................................
2. Mục tiêu đề tài ..................................................................................................
3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................
4. Nội dung nghiên cứu .........................................................................................
4.1 Nghiên cứu lý thuyết ...................................................................................
4.2 Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp ...........................................................
5. Kết cấu luận văn ...............................................................................................

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP X ................
1.1 Khái niệm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA .................................................
1.2 Vị trí bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA .........................................................
1.3 Lý thuyết cơ bản về tạp âm đối với mạng hai cửa ........................................
1.4 Hệ số tạp âm....................................................................................................
1.5 Dẫn nạp nguồn vào lí tưởng ...........................................................................
1.6 Hạn chế trong các phương pháp tối ưu hóa tạp âm thông thường ..............
1.7 Hệ số tạp và nhiệt độ ......................................................................................
1.8 Xây dựng mô hình mạng hai cực ...................................................................
1.9. Bộ LNA dải hẹp .............................................................................................
1.9.1 Suy hao do điện cảm emitter .....................................................................
1.9.2 Tải collector ...............................................................................................
1.9.3 Phân cực ....................................................................................................
1.10 Các thông số quan trọng của mạch khuếch đại LNA .................................
1.10.1 Hệ số tạp âm Noise Figure .....................................................................
a) Tạp âm nhiệt (Thermal Noise) ...............................................................
b) Shot Noise (Shottky Noise) .....................................................................
c) Flicker Noise (1/f Noise) .........................................................................
d) Hệ số tạp âm Noise Figure (NF) ............................................................
1.10.2 Hệ số khuếch đại ....................................................................................
1.10.3 Tính ổn định của hệ thống .....................................................................
1.10.4 Độ tuyến tính ..........................................................................................


6
CHƯƠNG II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM
THẤP........................................................................................................................

2.1 Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần ................................................
2.1.1Các loại đường truyền .........

2.1.2Phương trình đường truyền .
2.1.3Hệ số phản xạ ......................
2.1.4Hệ số sóng đứng ..................
2.1.5Giản đồ Smith ......................
[5]

2.2 Tham số S

rd

David M. Pozar (1994), “Microwave Engineering” 3 Edition

Công suất đưa ra tải ............
2.2.2Các khái niệm ......................
2.2.3Xác định tham số S ..............
2.2.4Đo các hệ số truyền .............
2.2.5Xác dịnh các hệ số phản xạ .

............................................................................................................................... 2.2.1

2.3 Phối hợp trở kháng .........................................................................................
2.3.1Phối hợp trở kháng dùng phầ
2.3.2Phối hợp trở kháng dải hẹp b
............................................................................................................................
2.3.2.1 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây một phần tư bước sóng ...............
2.3.2.2 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ .......................
2.3.2.3 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp ...........................
2.3.3Phối hợp trở kháng dùng dây
CHƯƠNG III – MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI MẠCH ............................................

3.1 Lựa chọn phần mềm mô phỏng và linh kiện .................................................
3.1.1 Lựa chọn chương trình mô phỏng ............................................................
3.1.2Lựa chọn tranzitor hỗ trợ thi

3.2 Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại ........................................................
3.2.1Phương pháp phối hợp trở kh
3.2.2Tính toán mô phỏng thiết kế
3.2.2.1 Phối hợp trở kháng cho lối vào Zin ........................................................
3.2.2.2 Phối hợp trở kháng cho lối ra Zout ........................................................
3.2.2.3 Phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại ............................................
3.3 Chế tạo và đo đạc mạch khuếch đại...............................................................
3.4 Hạn chế trong khi đo đạc mạch thực tế .........................................................
KẾT LUẬN ...............................................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................


7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Thứ tự
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10

Hình 1.11
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7


Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12


8

Hình 2.13
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10

Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16
Hình 3.17
Hình 3.18
Hình 3.19
Hình 3.20
Hình 3.21
Hình 3.22
Hình 3.23
Hình 3.24
Hình 3.25


9

Hình 3.26
Hình 3.27
Hình 3.28


10

LỜI MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, băng tần X có rất nhiều ứng dụng trong radar cảnh giới biển và hệ thống
thông tin vô tuyến với các ứng dụng rất thực tiễn như theo dõi thời tiết, kiểm soát không

lưu, kiểm soát giao thông hàng hải, radar bám mục tiêu cho quốc phòng và đo tốc độ
phương tiện cho cảnh sát.
Các bộ thu radar trên đòi hỏi ngày càng nhỏ gọn, tiếp nhận thông tin nhanh và
chính xác. Vì vậy, yêu cầu phần cứng cho các thiết bị này ngày càng gắt gao hơn. Đóng
vai trò là một bộ tiếp nhận thông tin, các thiết bị radar là một bộ thu phát sóng. Tín hiệu
thu được phải là các tín hiệu vô tuyến, biên độ tín hiệu thu được thường rất nhỏ, trong
môi trường đầy tạp âm, sóng nhiễu. Chính điều này dẫn đến việc phát triển bộ Khuếch
đại tạp âm thấp (LNA – Low Noise Amplifier), với yêu cầu ngày càng nhỏ gọn, hệ số
khuếch đại cao hơn là rất cần thiết.
Bài toán thiết kế, ứng dụng Bộ khuếch đại tạp âm thấp tại băng tần X trở nên cấp
thiết và có ý nghĩa quan trọng. Chính vì vậy, quyển luận văn “Nghiên cứu thiết kế chế
tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tầnbăng X” sẽ trình bày và cố gắng làm
rõ hơn các nguyên lý thiết kế, tìm hiểu mô phỏng, cách thức thi công mạch cứng bộ
LNA băng X.
2. Mục tiêu đề tài
Đề tài luận văn “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp tín
hiệu siêu cao tần băng X ” có hai mục tiêu lý thuyết và thực tiễn:
- Về lý thuyết:
+

Trình bày tổng quan về bộ khuếch đại tạp âm thấp;

+ Trình bày cơ sở lý thuyết thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp.
- Về thực tiễn:
+

Mô phỏng thiết kế đo đạc thông số bộ khuếch đại tạp âm thấp hoạt động ở

băng tần X dùng phần mềm ADS 2009;
+

3.

Thực thi chế tạo,đo đạc sản phẩm thực tế mạch khuếch đại tạp âm thấp.

Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện chuyên đề trên, phương pháp nghiên cứu được sử dụng gồm:


11
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý
thuyết; cập nhật và xử lý tài liệu liên quan về thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp;
nghiên cứu phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS 2009;
- Phương pháp mô phỏng: Trên cơ sở thiết kế đã có thực hiện mô phỏng trên phần mềm
chuyên dụng ADS, sau khi đạt chỉ tiêu kỹ thuật sẽ tiến hành chế tạo sản phẩm thực tế
mạch khuếch đại tạp âm thấp băng X;
- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Sử dụng phương pháp quan sát khoa học để tìm
hiểu mạch khuếch đại tạp âm thấp đã có trên cơ sở đó thiết kế mạch khuếch đại tạp âm
thấp băng X với các thông số Gain, NF, phối hợp trở kháng tốt hơn.
4.

Nội dung nghiên cứu

4.

1 Nghiên cứu lý thuyết

-

Nghiên cứu về tổng quan bộ khuếch đại tạp âm thấp;

-

Nghiên cứu kỹ thuật phối hợp trở kháng trong kỹ thuật siêu cao tần

-

Nghiên cứu phần mềm mô phỏng ADS và tranzitor SPF 3043

4.2 Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp

5.

-

Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp băng X

-

Thiết kế layout cho mạch khuếch đại

-

Lắp ráp và đo thử nghiệm trên máy VECTOR NETWORK ANALYZER.

Kết cấu luận văn
Nội dung luận văn bao gồm ba chương:

Chương 1: Tổng quan về bộ khuếch đại tạp âm thấp X
Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp
Chương 3: Mô phỏng và thực thi mạch

12

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP X
1.1 Khái niệm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA
LNA là chữ viết tắt của Low Noise Amplifier, là bộ khuếch đại tạp âm thấp.
- Biên độ các tín hiệu phát bằng vô tuyến đến phía đầu thu nhận được thường rất nhỏ.
Chính vì vậy cần có bộ khuếch đại tạp âm thấp để nhằm thu được các tín hiệu nhỏ chính
xác.
- Các mạch cao tần là phi tuyến, và rất nhạy cảm với nhiệt. Chính tạp âm này ảnh
hưởng rất nhiều trong quá trình thu và khôi phục lại tín hiệu dữ liệu,
- Việc khuếch đại thông thường giúp khuếch đại công suất tín hiệu, nhưng đồng thời
cũng khuếch đại tạp âm. Chính vì vậy, bộ LNA được dùng để khuếch đại tín hiệu cần
thiết để đạt được một độ lợi Gain (G) tốt nhất, đồng thời hạn chế tối đa khuếch đại Tạp
âm (Noise).
1.2 Vị trí bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA
Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA là rất cần thiết trong hệ thống thông tin di động
đặc biệt là bộ phận thu (Receiver).
Vị trí LNA đặt càng gần anten thu càng tốt, vì khi đó, tín hiệu vô tuyến thu được từ
anten – tín hiệu rất yếu (về công suất) – sẽ được khuếch đại thông qua LNA. Đồng thời,
với thiết kế đặc biệt, LNA sẽ khuếch đại công suất tín hiệu với mức tạp âm là tối ưu.
Lúc này hệ số tạp âm Noise Figure (NF) sẽ là thấp nhất. Từ đây, dựa vào công thức
Friiss hệ số tạp âm NF toàn máy thu sẽ là thấp nhất, do ảnh hưởng nhiều nhất từ tầng
khuếch đại đầu tiên.

Hình 1.1 Sơ đồ khối một phần bộ thu phát tín hiệu vô tuyến


13

1.3 Lý thuyết cơ bản về tạp âm đối với mạng hai cửa
Mục này trình bày bản thiết kế khái lược tạp âm trong mạng hai cửa. Việc tập
trung xây dựng mô hình hệ tạp âm loại này có thể giúp đơn giản hóa rất nhiều việc phân
tích, qua đó giúp ta hiểu rõ được ưu nhược điểm bên trong của bộ thiết kế.

Hình 1.2 Mô hình tạp âm hai cửa
1.4 Hệ số tạp âm
Hệ số tạp âm là đại lượng rất quan trọng trong việc xác định tạp âm của hệ thống
nói chung và máy thu nói riêng, thường được kí hiệu là F. Để định nghĩa và hiểu rõ tầm
quan trọng của đại lượng này, ta xem xét một mạng tạp âm 2 cửa (tuyến tính) lối vào
gồm có nguồn dẫn nạp Ys và nguồn dòng tạp âm song song i s. Nếu chỉ quan tâm tới tạp
âm tại lối vào lối ra, ta cũng không cần thiết phân tích quá kỹ nguồn tạp âm gây ra bên
trong mạng 2 cửa. Tuy nhiên, các nguồn gây nhiễu này có thể biểu diễn đơn giản chỉ
bằng một cặp nguồn nhiễu ngoài: Nguồn thế và nguồn dòng. Chính nhờ điều này, ta có
thể dễ dàng đánh giá ảnh hưởng của dẫn nạp nguồn vào tới nhiễu của hệ thống. Kết quả
là, có thể xác định được tiêu chuẩn thiết kế thỏa mãn hiệu năng nhiễu lí tưởng.
Hệ số tạp âm được định nghĩa bởi:
F ≡ (Tổng công suất tạp âm lối ra / Tạp âm lối ra gây bởi nguồn tạp âm lối vào)
(Nguồn thường đặt ở nhiệt độ phòng 290K)
Hệ số tạp âm dùng để đo sự suy giảm phẩm chất trong tỉ số tín/tạp của hệ và tỉ lệ
thuận với độ suy giảm phẩm chất này. Nếu một hệ thống (mạng 2 cửa) bản thân nó
không gây nhiễu, thì tổng công suất tạp âm lối ra phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn tạp âm
lối vào và do đó, hệ số tạp âm là bằng 1.
Trong hình 1.2, tạp âm được coi là lối vào của mạng 2 cửa không gây nhiễu nên ta
có thể tính đươc giá trị của hệ số tạp. Để tính toán trực tiếp dựa trên phương trình (1.1),
chúng ta cần thực hiện hai bước: Thứ nhất đo tổng công suất tạp âm ở lối ra, sau đó
bước thứ hai là chia kết quả nhận được cho công suất tạp âm gây ra bởi nguồn lối vào.
Một phương pháp tương tự và đơn giản hơn là đo dòng trung bình bình phương ngắn
mạch của các nguồn nhiễu sau đó chia cho tổng dòng trung bình bình phương của nguồn
nhiễu gây ra bởi lối vào. Với cùng hằng số tỉ lệ,công suất gây ra bởi nguồn thành phần

sẽ tỷ lệ thuận với dòng trung bình bình phương ngắn mạch, vì vậy mà phương pháp trên
là hoàn toàn tương đương.


14

Hình 1.3 Mô hình tạp âm hai cửa tương đương
Trong quá trình thực hiện phép đo này, vấn đề thường gặp là kết hợp các nguồn tạp
âm có bậc tương quan khác nhau. Trong trường hợp đặc biệt khi hệ số tương quan bằng
0, xuất hiện sự xếp chồng các công suất riêng rẽ. Ví dụ, nếu giả định rằng công suất tạp
âm của nguồn và của mạng hai cửa là không tương quan thì biểu thức của hệ số tạp âm
có thể biểu diễn:

Cần chú ý, khi ta giả
tạo tạp âm tương đương của hai cửa, phương trình (1.2) không còn đúng trong trường
hợp hai cổng phát không tương quan với nhau.
Để thiết lập tương quan
Trong đó: ic liên quan
coi là tỉ lệ với en theo hệ số:
Yc gọi là tương quan dẫn

=

Kết hợp (1.2), (1.4) hệ số tạp âm trở thành:

=
Phương trình (1.5) gồm 3 nguồn tạp âm tự do, mỗi nguồn có thể được coi là ồn
nhiệt sinh bởi một điện trở hoặc điện dẫn tương đương:
∆
≡

(1.6)
≡

≡

(1.7)

∆

(1.8)

∆

Sử dụng những biến đổi tương đương nên phương trình có hệ số tạp âm hoàn toàn
có thể biểu diễn theo dẫn nạp và trở kháng:
= 1+

|

|

= 1+

(

)

(

)

(1.9)


Trong công thức (1.9), ta dễ dàng phân tích được mỗi thành phần dẫn nạp thành
tổng của điện dẫn G và điện nạp B.


15
1.5 Dẫn nạp nguồn vào lí tưởng
Một hệ tạp âm hai cửa đang xét được đặc trưng bởi bốn thông số (Gc, Bc, Rn và
Gu), phương trình (1.9) cho phép xác định các giá trị điện dẫn và điện nạp tối ưu cho
các thiết kế tạp âm thấp. Lấy đạo hàm bậc nhất đối với nguồn dẫn nạp rồi cho giá trị
bằng 0, ta thu được:
=−
=
Từ đó, để cực tiểu hệ số tạp âm, giá trị nguồn điện nạp cần bằng với nghịch đảo
của tương quan điện nạp, trong khi đó cần chỉnh nguồn điện dẫn bằng với giá trị trong
phương trình (1.11).
Hệ số tạp âm ứng với lựa chọn được suy ra trực tiếp khi thay thế (1.10), (1.11)
vào (1.9)
1

=1+2

-+

=1+2

+

+

(1.12)

Ta còn có thể biểu diễn hệ số tạp âm qua Fmin và nguồn dẫn nạp:
=

1

+

−

,

+

−

,

(1.13)

Một điều đáng lưu ý rằng mặc dầu bản chất việc cực tiểu hóa hệ số tạp âm có phần
nào giống với cực đại hóa công suất truyền, nguồn dẫn nạp trong hai trường hợp trên
thường khác nhau như đã thấy trong phương trình (1.10) và (1.11). Kết quả là thiết kế
tối ưu về tạp âm thì phải chịu thiệt về hệ số khuếch đại và ngược lại.
1.6 Hạn chế trong các phương pháp tối ưu hóa tạp âm thông thường
Lí thuyết cổ điển chỉ hoàn toàn xác định trong trường hợp phần tử chọn riêng rẽ,

các đặc trưng được cho trước và sau đó tìm giá trị nguồn dẫn nạp tối ưu. Đây là trường
hợp thường xảy ra trong thiết kế RF riêng rẽ. Tuy nhiên, tiêu chuẩn tối ưu hóa không
cho phép chọn kích thước linh kiện tùy ý trong thiết kế mạch tích hợp, vì thế cần bổ
sung thêm điều kiện gần đúng trong một số trường hợp lí tưởng. Mục đích của chúng ta
là nêu ra những điểm chưa hoàn thiện của phương pháp này.
1.7 Hệ số tạp và nhiệt độ
Ngoài hệ số ồn, hai tham số đặc trưng cho các linh kiện điện tử thường được đề
cập trong các giáo trình kĩ thuật là hệ số tạp tính theo dB và nhiệt độ tác động lên tạp âm
của linh kiện đó.


16

NF(dB)

Hình 1.4 Bảng quy đổi hệ số tạp âm (dB), hệ số tạp, và nhiệt độ
1.8 Xây dựng mô hình mạng hai cực
Muốn nắm rõ các đặc tính (hay giới hạn) của thiết kế LNA dải hẹp, chúng ta trước
hết cần xây dựng mô hình tạp âm cho tranzitor lưỡng cực. Để phép phân tích được dễ
dàng và thuận tiện trong việc tìm hiểu cặn kẽ thiết kế, cần giả định một số trường hợp
đơn giản mà không làm sai lệch nghiêm trọng phép đo khi linh kiện hoạt động với tần số
đủ thấp. Với các tần số cao hơn, những đặc tính linh kiện (ví dụ hệ số khuếch đại) bị suy
giảm nhanh chóng …

Hình 1.5 Mô hình tạp âm cho tranzitor lưỡng cực
Mỗi lớp tiếp giáp của transistor lưỡng cực gây ồn nổ (ồn Shottky), đặc trưng bởi
nguồn dòng song song mà mật độ phổ trung bình là 2qI DC (IDC là giá trị dòng phân cực
qua vùng chuyển tiếp). Dòng ồn nổ từ hai vùng chuyển tiếp có thể xem như không liên
quan tới hầu hết các kết quả thực nghiệm, vì vậy ta có thể bỏ qua tác dụng của nó trong
các tính toán tiếp theo; điều này cho phép cộng vào trực tiếp công suất tạp âm. Đây là

dạng chồng chất gây bởi tính độc lập thống kê của nguồn tạp âm.
Ngoài sự tạo thành ồn nổ (về nguyên tắc là không thể triệt tiêu được trong các thiết
kế khuếch đại tạp âm thấp), còn có một nguồn tạo ồn nhiệt là điện trở bazơ, rb.


17
Loại ồn này gây bởi chuỗi nguồn thế có mật độ trung bình là 4kTr b. Với công nghệ chế
tạo hiện nay, thì ồn nhiệt linh kiện bán dẫn thường lớn hơn nhiều so với tạp âm gây bởi
trở emitter hay base, do vậy có thể bỏ qua tác dụng của những nguồn này. Giá trị r b
trong các bản thiết kế là một giá trị mà người thiết kế không bao giờ mong muốn, ngoài
việc phát sinh ồn nhiệt ( làm giảm hệ số tạp âm của hệ thống) như trên thì sự xuất hiện
của giá trị này sẽ ảnh hưởng không tốt đến giá trị trở kháng nguồn vào tối ưu (tại giá trị
này cho phép thiết kế LNA tạp âm đạt giá trị tốt). Mô hình tranzitor tín hiệu nhỏ được
chỉ rõ trên hình 1.5. Tuy đơn giản nhưng mô hình này lại có thể biểu diễn được các ảnh
hưởng đặc biệt quan trọng khi đo hệ số tạp của bộ khuếch đại lưỡng cực. Xuất phát từ
mô hình nêu trên, ta có thể thiết lập biểu thức toán học chính xác cho hệ số tạp của một
bộ khuếch đại và hơn nữa, tính toán được giá trị nguồn trở kháng tối ưu.

Hình 1.6 Mô hình để tính toán giá trị tạp âm
Có rất nhiều cách biểu diễn hệ số tạp âm, song cách dưới đây tỏ ra hữu dụng nhất:
F = Tổng công suất tạp âm lối ra/công suất tạp âm lối ra gây bởi nguồn nhiễu (thường
xét với điều kiện nhiệt độ phòng 290K). (1.14)
Để dùng phương trình (1.14) đo hệ số tạp âm, nối nguồn trở kháng (ồn nhiệt) vào
mạch ở hình 1.5 rồi đo từng phần (hình 1.6). Chú ý rằng đây là trường hợp ngắn mạch.
Trong mạch thực tế, trở tải lối ra là khác không - trừ trường hợp chế tạo high-tech space
heater. Tuy nhiên từ (1.14) dễ dàng nhận thấy có thể nhận trở tải collector cho cả tử và
mẫu và cuối cùng có thể khử giá trị này, nhờ đó có thể làm việc với mọi giá trị. Từ đây
có thể chọn giá trị trở tải là 0.
Phương pháp thông dụng hơn là khử điện dung collector - base (Cµ) để thuận tiện
cho việc phân tích. Khi trở kháng tải collector nhỏ, giá trị điện dung này không gây can

nhiễu quá lớn đến phép đo. Trong các trường hợp thông thường, khi tính đến trở tải
collector bất kì, bỏ qua Cµ sẽ dẫn đến sai số đáng kể. Sai số lớn nhất khi đo nguồn điện
trở dẫn đến giá trị hệ số tạp nhỏ nhất, do vậy tùy thuộc vào cấu tạo trở tải, nguồn điện
trở lí tưởng có thể biến thiên lên xuống.
1.9. Bộ LNA dải hẹp
Những phần trước chúng ta đã phân tích và tìm hiểu được rằng các thiết kế tạp âm
thấp phụ thuộc rất nhiều vào việc chọn lựa giá trị nguồn trở kháng vào tối ưu. Hơn


18
nữa, trở kháng lối vào tranzitor cao tần mang tính chất dung kháng, vì vậy khi phối hợp
trở kháng với đường dây 50Ω mà không làm giảm hệ số tạp âm của mạch là vấn đề rất
khó khăn mà người thiết kế cần phải chú ý. Phối hợp trở kháng vào ra (trở kháng thuần
trở) gần như là nhiệm vụ bắt buộc trong các thiết kế khuếch đại tạp âm thấp, chính vì
thế trong phần này chúng ta cũng sẽ tập trung nghiên cứu vấn đề này.

Hình 1.7Sơ đồ khuếch đại kiểu E chung dùng cuộn cảm triệt nhiễu
Một phương pháp khá hay để tạo nguồn trở kháng lối vào thực không làm suy
giảm hệ số tạp âm là sử dụng mạch khuếch đại emitter chung triệt nhiễu dùng cuộn cảm.
Phương pháp này bắt nguồn từ bộ khuếch đại dùng đèn chân không từ thập kỉ 30 của thế
kỷ trước. Phương pháp này có thể áp dụng cho các mạch khuếch đại dùng tranzitor hay
FET (trong trường hơp này chỉ điều chỉnh một chút trong khâu phân cực hoạt động cho
FET), trong phần này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu chi tiết ở phần tiếp theo.

Hình 1.8 Sơ đồ thiết kế LNA dải hẹp
Chú ý rằng suy hao điện dung(capacitive degeneration) có thể gây ra hiện tượng
điện trở âm đối trở kháng lối vào gây ra mất ổn định trong thiết kế. Chính vì thế, mọi
điện dung kí sinh từ emitter tới đất sẽ làm lệch giá trị trở kháng thực hiện bởi phương
pháp suy hao điện cảm inductive degneration. Ảnh hưởng này sẽ được tính toán trong
các thiết kế thực tế. Điều quan trọng cần nhấn mạnh là thành phần điện trở trong trường

hợp này không gây ồn nhiệt như các loại thông thường khác bởi thành phần thuần điện
kháng về bản chất không gây nhiễu. Chúng ta có thể lợi dụng đặc tính này để cung cấp
nguồn trở kháng lối vào lý thuyết không làm ảnh hưởng đến NF của bộ


19
khuếch đại.
Tuy nhiên do trở kháng lối vào chỉ là thuần trở tại một giá trị tần số (cụ thể là khi
xảy ra cộng hưởng), vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng với các thiết kế dải hẹp. May
mắn là có rất nhiều trường hợp mà trong đó thiết kế dải hẹp không chỉ được chấp nhận
mà còn được sử dụng hiệu quả, vì thế độ suy hao điện cảm (inductive degeneration)
chắc chắn là một phương pháp thiết kế đem lại hiệu quả cao.
Giá trị điện cảm Le được lựa chọn để tính trở kháng lối vào cần thiết (bằng nguồn
điện trở Rs). Tại tần số cộng hưởng trở kháng lối vào có tính chất thuần trở, tuy nhiên để
đảm bảo cho tính chất trên thì người ta thêm lối vào một giá trị cuộn Lb. Ta có VBE có
giá trị lớn gấp Q lần giá trị thế lối vào. Độ hỗ dẫn toàn phần Gm trong trường hợp này
sẽ là:

=

=

(

)=

(1.15)

Trong đó có thể sử dụng xấp xỉ gần đúng ωT với tỉ số gm1/Cπ.
Các bước thiết kế là tương đối dễ hiểu. Đầu tiên chọn dòng phân cực để có được

hệ số khuếch đại và hệ số tạp âm yêu cầu rồi đó tính toán nguồn trở tối ưu sao cho hệ số
tạp là nhỏ nhất. Sau đó đưa vào một độ suy hao điện cảm đủ để cung cấp một trở kháng
lối vào mà phần thực bằng với giá trị nguồn trở tối ưu, kế tiếp chỉnh phần ảo của nguồn
trở kháng (có tính dung kháng) để đưa vào mạch tín hiệu gốc để loại bỏ các thành phần
kí sinh, từ đó tạo nên cộng hưởng lặp lối vào. Cuối cùng,thêm vào một mạng phối hợp
trở kháng phối hợp giữa tải 50Ω với trở kháng tối ưu của bộ khuếch đại. Mạng phối hợp
trở kháng thường kết hợp với giá trị điện cảm cần để tạo cộng hưởng lặp lối vào.
Phương pháp này khá hay bởi nó giúp người thiết kế cân bằng tất cả các thông số
cần quan tâm (phối hợp trở kháng với tải và thiết kế tạp âm thấp). Ngoài ra, điều kiện
cộng hưởng lối vào cũng đảm bảo hệ số khuếch đại tốt, vì độ hỗ dẫn tỉ lệ với ωT/ω.
Chính do ảnh hưởng của các khung cộng hưởng của lối vào/ra, điều này sẽ gây ra
sự thay đổi trở kháng vào ra của bộ khuếch đại do vậy ảnh hưởng tới tần số thiết kế. Sự
thay đổi này thực sự là vấn đề mà người thiết kế cần phải chú ý. Tuy nhiên thường thì sự
dịch chuyển này chỉ làm dịch tần số thiết kế cỡ 1-2% so với tần số trung tâm (vì khi
thiết kế ta đã thiết kế tần số cộng hưởng vào/ra đã được thiết kế chặt), thế nên tại một
vài dải tần số thì sự dịch chuyển ảnh hưởng tới phối hợp trở kháng lối vào.
Để xử lý vấn đề trên người ta sử dụng mạch ghép Cascode. Song nó chỉ có hiệu
quả một phần bởi vẫn là điện trở r0 đã nói ở tầng đầu sẽ làm hạn chế hiệu quả của
cascoding. Trong những tình huống phức tạp, người ta cần dùng đến một số tầng
cascode mắc theo kiểu bazo chung. Ngoài ra, giảm giá trị trở tải của tải collector cũng
có thể giải quyết vấn đề, song cũng đồng nghĩa với việc hệ số khuếch đại giảm. vì vậy
trong thiết kế thường sử dụng kết hợp cả hai biện pháp trên, tận dụng tối đa ưu điểm của
chúng làm tăng phối hợp trở kháng và hạn chế đến mức thấp nhất những hiệu ứng
không mong đợi.


20

Hình 1.9 Thiết kế LNA dải hẹp dùng mạch dải
1.9.1 Suy hao do điện cảm emitter

Các thiết kế LNA dải hẹp chịu ảnh hưởng bởi cuộn cảm nối với emitter
(inductance degeneration), vì cuộn cảm này sẽ tạo ra trở kháng lối vào thực tại lối vào
của tranzitor. Đối với tần số cao, giá trị cuộn thường là rất nhỏ nên rất khó cho việc chế
tạo. Ví dụ trong trường hợp sử dụng tranzitor 2SC3302 hoạt động với dòng phân cực
10mA thì cuộn cảm emitter có giá trị yêu cầu cỡ 2nH để có lối vào 50Ω. Trong trường
hợp này cần chú ý tới các thành phần cuộn cảm kí sinh, các thành phần này có thể tác
động lên lối vào của tranzitor làm cho giá trị của nó mang tính chất dung kháng, vì thế
người ta thường thêm vào các thành phần tụ ở lối vào trong thiết kế để bù trừ thành
phần ký sinh đó (cần chú ý cầu trúc mạch điện cũng như khi thiết kế mạch in).

1.9.2 Tải collector
Trong thiết kế thường tính đến trường hợp đòi hỏi cộng hưởng tải collector, tải này
sẽ làm nhiệm vụ ghép cộng hưởng với tụ ra giúp tăng hệ số khuếch đại (Gain) cho bộ
khuếch đại. Ngoài ra, người ta cũng sử dụng bộ lọc để loại trừ các tín hiệu không mong
muốn.

Hình 1.10 Mạch LNA dải hẹp dùng phân áp dùng cầu điện trở


21
Việc sự dụng tải này có thể dùng phần tử thụ động hoặc dùng mạch dải như trong
hình 1.10. Khi sử dụng mạch dải, nếu cần thiết có thể sử dụng một vài phương pháp
phối hợp trở kháng đặc biệt bằng cách chèn thêm các đường dây phụ (taper) dọc theo
đoạn mạch dải trên để thực hiện phối hợp trở kháng. Như vậy, trở kháng của khung
cộng hưởng sẽ đạt cực đại tại lối ra collector và đạt cực tiểu tại nguồn Vcc.
Tính chất của khung cộng hưởng có thể thay đổi bằng cách thay đổi độ rộng dường
dây mạch dải, tức là thay đổi trở kháng của đường dây. Việc thay đổi độ rộng đường dây
cũng sẽ tác động tời tỷ số L/C của đường dây và do đó thay đổi hệ số phẩm chất của
khung cộng hưởng. Bên cạnh đó, cuộn dây mạch dải này còn hoạt động như một cuộn
chặn cao tần, chúng ta sẽ thảo luận trong chương tiếp theo.

1.9.3 Phân cực
Có nhiều cách phân cực cho bộ khuếch đại hoạt động ở tần số thấp. Khi phân cực
cho tranzitor người ta có thể sử dụng mạch phân áp và thêm điện trở giúp tăng tính ổn
đinh cho mạch tại chân E của tranzitor cũng như tụ cách ly… Tuy nhiên phương pháp
này là khó có thể áp dụng đối với dải sóng cực ngắn do ảnh hưởng của các thành phần
kí sinh là rất khó kiểm soát, và việc thiết kế cũng trở nên khó khăn hơn. Việc sử dụng
trở tại chân E với mục đích ổn định điểm làm việc cho tranzitor thông qua phản hồi âm,
ta cũng có thể áp dụng phản hồi âm từ C về E như trong hình 1.10.
Nếu bỏ qua dòng bazơ, dòng chảy qua R1 và R2 là như nhau, bởi vậy thế qua R2
phụ thuộc vào dạng của thế qua R1 qua đó phụ thuộc VBE. Thế lối ra một chiều lúc này
có dạng:

VBE nhạy với nhiệt độ  Vout cũng thay đổi theo nhiệt độ. Tuy nhiên, sự thay đổi
theo nhiệt độ này cũng không ảnh hưởng nhiều đến thiết kế nên nói chung là vẫn có thể
chấp nhận được .
Trong hình 1.10, trở tải collector R3, được cách ly bằng tụ CBFC, tụ này có tác
dụng là tụ nối đất cho tín hiệu xoay chiều. Chú ý cuối cùng trong áp dụng phương pháp
phân cực này là các điện trở phân áp phải được chọn đủ nhỏ khi có sự thay đổi dòng
base cũng làm thay đổi dòng qua collector, nếu điểm phân cực được thiết kế không phụ
thuộc vào thay đổi của dòng bazơ, thì các yêu cầu về lựa chọn điện trở này khác hẳn với
các yêu cầu đối với tạp âm nhiệt của các điện trở phân áp này. Trong thực nghiệm, sẽ
không quá khó khăn để điều chỉnh hợp lí các giá trị trên và độ suy giảm hệ số tạp có thể
giữ ở thang 10 dB hoặc nhỏ hơn.
1.10 Các thông số quan trọng của mạch khuếch đại LNA
1.10.1 Hệ số tạp âm Noise Figure


22
Khi mạch điện được cấp nguồn, các điện tử dao động một cách ngẫu nhiên. Sự dao
động này tạo ra nhiệt. Đối với mạch cao tần, chuyển động này là vô cùng lớn, lượng

nhiệt tỏ ra là đáng kể. Lúc này nó hình thành một kênh tạp âm, ảnh hưởng đến tín hiệu
truyền trên hệ thống. Trong hệ thống RF, tạp âm được kết hợp từ nhiều nguồn khác
nhau. Đơn vị của tạp âm thường dùng trong hệ thống RF là Công suất tạp âm.
Tạp âm nội: tạp âm được tạo ra bên trong hệ thống, nên được gọi là tạp âm nội. Có
ba loại tạp âm nội chính trong hệ thống RF là: Thermal Noise, Shot Noise, Flicker
Noise.
a) Tạp âm nhiệt (Thermal Noise)
Hay còn được gọi theo các tên khác Johnson Noise, Nyquist Noise.
Đây là loại tạp âm được sinh ra từ sự chuyển động của các điện tử trong các vật
dẫn điện hoặc các chất bán dẫn gây ra bởi các hiệu ứng nhiệt. Trong các linh kiện điện
tử, các tín hiệu ngẫu nhiên được tạo ra trong các cấu kiện điện tử có công suất tỉ lệ thuận
với nhiệt độ của cấu kiện này.
Công suất tạp âm được định nghĩa:
= . .∆(1.17)
trong đó:

P: công suất tạp âm, [W]
k: hằng số Boltzmann, [J/K]
T: nhiệt độ vật dẫn, [K]
∆

: băng thông, [Hz]

b) Shot Noise (Shottky Noise)
Là một loại tạp âm điện, xảy ra khi có một số phần tử xác định mang năng lượng
như electron trong các mạch điện ly, photon trong các thiết bị quang đủ nhỏ để gây ra
những sự dao động có thể dò được trong các thiết bị đo lường hay các thiết bị bán dẫn.
Giá trị của loại tạp âm này tăng theo độ lớn trung bình của dòng điện hay cường
độ của ánh sáng. Shot Noise tương tực Thermal Noise, cũng có phân bố dạng Gaussian
(tạp âm trắng).

trong đó:

=2.. P.∆
I: Dòng tạp âm hiệu dụng, [A]
q: giá trị điện tích electron 1,6.10
:
∆

c)

Flicker Noise (1/f Noise)

dòng điện DC, [A]
: băng thông, [Hz]

-19

[C]


23
Còn gọi là Pink Noise, thường xuất hiện ở tần số thấp. Flicker Noise có
mật đổ phổ công suất tỉ lệ nghịch với tần số. Flicker Noise không ảnh hưởng nhiều đến
mạch ở tần số cao.
d) Hệ số tạp âm Noise Figure (NF)
Ta có các định nghĩa sau:

=

Q T
S

= 10. X( )= 10. X
NF được tính theo đơn vị là [dB]
Hệ số tạp âm hệ thống (đa tầng) – công thức Friiss:
=
+
+
+⋯+

(1.21)

…

với: Fxvà Gx lần lượt là Hệ số tạp âm và Độ lợi tại tầng thứ x.
Từ công thức trên, ta thấy được Độ lợi khuếch đại và tạp âm tại tầng thứ nhất là
vô cùng quan trọng, ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống.
1.10.2 Hệ số khuếch đại
Trước tiên, ta định nghĩa các thông số S-parameter của mạng 2 cửa. S-parameter là
các thông số của ma trận tán xạ [S]

vào tại cửa 2.

2 cửa.

Từ định nghĩa này, ta suy ra: